張琳,吳廣芬,何水悠,湯雙超,趙蘇寧,鄭玉露
(煙臺(tái)大學(xué)環(huán)境與材料工程學(xué)院,煙臺(tái) 264005)
在信息化時(shí)代的今天,網(wǎng)絡(luò)需求日益增大,為了提供更優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù),滿足手機(jī)信號(hào)強(qiáng)度和連貫性的需要,從而擴(kuò)大基站信號(hào)的覆蓋面積和強(qiáng)度,加大基站建設(shè)規(guī)模和密度。與此同時(shí),通信基站的電磁輻射廣泛暴露在我們周?chē)鹆嗽絹?lái)越多的人關(guān)注基站電磁輻射帶來(lái)的影響[1]。由于基站建設(shè)周?chē)ㄖ?、地形、地貌、人群密度等各類因素的影響,使得基站電磁輻射?qiáng)度的分布越來(lái)越復(fù)雜化。為了對(duì)基站天線電磁輻射的影響進(jìn)行充分的了解,國(guó)內(nèi)外有關(guān)這方面的研究和監(jiān)測(cè)工作不斷增加[2],但對(duì)于移動(dòng)通信基站電磁輻射影響因素進(jìn)行綜合優(yōu)化研究并不多見(jiàn)。因此,對(duì)移動(dòng)基站電磁輻射影響因素進(jìn)行研究,得到各個(gè)因素影響基站電磁輻射大小的主次順序以及各因素的最佳水平,最終確立電磁輻射值影響最小的布設(shè)方案,為今后通信基站的建設(shè)提供最優(yōu)的建設(shè)依據(jù)。
正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種研究多因素試驗(yàn)的重要數(shù)理方法,具有水平均勻性、搭配均勻性的特點(diǎn),也是對(duì)試驗(yàn)因素做合理的、有效的安排,最大限度的減少試驗(yàn)次數(shù),是高效、快捷、經(jīng)濟(jì)的方法,因此本文采用正交試驗(yàn)法。
通過(guò)總結(jié)前人試驗(yàn)研究成果[3-5],本試驗(yàn)以方向、水平距離和垂直高度這3個(gè)因素為對(duì)象進(jìn)行研究(其中水平距離為試驗(yàn)點(diǎn)距基站的水平距離,垂直高度為試驗(yàn)點(diǎn)距地面的垂直高度,下文簡(jiǎn)稱水平距離、垂直高度),根據(jù)基站的空間位置和實(shí)際測(cè)量的可行性,方向取4個(gè)水平,水平距離、垂直高度分別取2個(gè)水平,進(jìn)行因素與水平表的設(shè)計(jì),具體如表1。選用L8(41×24) 混合正交表,式中“8”為正交表行數(shù)(即安排8次試驗(yàn)),“41”為1個(gè)因素下設(shè)4水平(本試驗(yàn)即方向因素),“24”為4個(gè)因素下設(shè)2個(gè)水平(本試驗(yàn)因只有水平距離、垂直高度2個(gè)因素,多出兩列空白列作誤差項(xiàng)用),具體正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如表2。
試驗(yàn)指標(biāo)必須滿足能夠客觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)對(duì)象特定性質(zhì)的要求,而且試驗(yàn)指標(biāo)必須具有代表性,它直接關(guān)系到實(shí)驗(yàn)結(jié)論的合理性[6]。電磁輻射作為能量流,其所產(chǎn)生的電磁輻射污染現(xiàn)象會(huì)對(duì)人體健康帶來(lái)較大的危害[7]。因此將各試驗(yàn)點(diǎn)的電磁輻射值作為試驗(yàn)指標(biāo)。
極差是指一組數(shù)據(jù)中的最大數(shù)據(jù)與最小數(shù)據(jù)的差,它反映了一組數(shù)據(jù)的離散程度[7]。極差分析法因簡(jiǎn)單直觀而被廣泛使用,該方法是用極差 Rj 來(lái)分析各因素對(duì)結(jié)果的影響程度。Rj越大,相應(yīng)因素對(duì)目標(biāo)參數(shù)的影響越大,重要性就越大。
式中:
ki—第i水平對(duì)應(yīng)指標(biāo)和Ki的平均值,即ki = Ki/r,其中r為任一列同一水平出現(xiàn)的次數(shù)[8]。
1.3.1 檢測(cè)基站及周?chē)h(huán)境
此次試驗(yàn)選取了一座正在使用的并且周?chē)幼『土鲃?dòng)的人員較多的基站,該基站為樓頂式基站,位于一棟四層辦公樓上,辦公樓正北方向約60 m是一棟賓館建筑,并且該建筑物的高度稍低于基站,居民樓位于辦公樓的正東方向50 m以內(nèi),流動(dòng)人員較多的小吃街、火鍋店位于正西方位50 m以內(nèi),辦公樓正南方為一條馬路,馬路對(duì)面南偏東方向約100 m為路,馬路對(duì)面南偏東方向約100 m為商業(yè)街。
表1 因素與水平表L8(41×24)
表2 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)
1.3.2 檢測(cè)設(shè)備
檢測(cè)設(shè)備選自臺(tái)灣生產(chǎn),專用于基站測(cè)試電磁波的三軸高頻電磁波測(cè)試儀TM196,如表3。
根據(jù)上述試驗(yàn)方法,得出各試驗(yàn)點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)如表4。
根據(jù)前文介紹的極差分析法,分別對(duì)8組試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析,并將極差分析結(jié)果列于表5,同時(shí)為了更直觀地分析各因素對(duì)電磁輻射的影響,根據(jù)表5作出各因素對(duì)電磁輻射影響的直觀分析圖,如圖1。
從表5及圖1中比較不同因素極差值(Rj),數(shù)值相差較為明顯(以表5中x軸方向極差值為例,ABC因素極差值依次為4.705、2.062 5、13.127 5)且不同軸方向垂直高度均為它們的顯著影響因素,方向、水平距離對(duì)電磁輻射的影響相對(duì)較弱,但以上3個(gè)因素(垂直高度、方向、水平距離)影響作用均在較強(qiáng)水平。在X、Z軸方向,A因素即方向?qū)﹄姶泡椛涞挠绊懘笥谒骄嚯x,但在Y軸方向與XYZ綜合情況下,B因素即水平距離對(duì)其影響較大,其次是方向。
表3 基站電磁波檢測(cè)儀指標(biāo)
表4 正交試驗(yàn)結(jié)果(mW/m2)
表5 電磁輻射值極差分析
圖1 因素水平趨勢(shì)圖
由表5可以看出,不同軸方向最優(yōu)布設(shè)方案不同,對(duì)于方向因素A,其最優(yōu)水平出現(xiàn)次數(shù)為:A4出現(xiàn)3次,A2出現(xiàn)1次,多數(shù)傾斜綜合考慮,A4為最優(yōu)水平。對(duì)于水平距離因素B,B1出現(xiàn)3次,B2出現(xiàn)1次,根據(jù)出現(xiàn)次數(shù)的頻率,B1為最優(yōu)水平。對(duì)于垂直高度因素C,不同軸方向結(jié)論一致,均為C2,因此C2為最優(yōu)水平。綜上所述,可以確定電磁輻射最小的空間位置為A4B1C2,即東方位、距離基站的水平距離為30 m、距離地面的垂直高度為3 m的空間位置處。
通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)以及對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析得出以下結(jié)論及建議:
1)垂直高度為影響移動(dòng)通信基站電磁輻射的主要因素,其次為方位和水平距離。
2)電磁輻射值最小的最優(yōu)布設(shè)方案為:東方位、距離基站的水平距離為30 m、距離地面的垂直高度為3 m的空間位置。
3)由于移動(dòng)通信基站的電磁輻射值在特定的空間位置存在最小值,因此,基站選址時(shí)考慮垂直高度、所在方位以及與周?chē)ㄖ锏乃骄嚯x,特別是居民樓和人流較多的區(qū)域的距離,并根據(jù)基站輻射信號(hào)的區(qū)域范圍來(lái)選擇合理的基站類型。